一种基于TMS320F2812的风力发电独立变桨控制系统的制作方法

本发明涉及一种风力发电控制系统，特别是涉及一种基于tms320f2812的风力发电独立变桨控制系统。

背景技术：

近年来,随着环境问题的日益突出和能源供应的日趋紧张,可再生能源越来越被人们所重视，在国家大力发展新能源的指导方针下，风力发电技术得到了迅速的发展，但是伴随着越来越多的风电机组运行，问题也随之增多，所以如何确保风电机组安全、可靠、高效的运行是目前风电行业重点研究的方向。变桨控制系统作为风力发电机的最重要组成部件之一，其系统的安全、可靠与否,直接影响着整个风机的安全性能、发电效率、发电质量等等,可以说变桨控制系统在整个风机中占有举足轻重的地位。

根据变桨控制系统的功能分类，主要由三大部分组成：变桨控制器、变桨驱动器、备用电源。其中变桨控制器作为最主要的控制单元，所有的逻辑控制、安全保护、备用电源切换、控制算法等等均由其完成。目前国内变桨控制系统只采用一个plc，通过profibus通讯总线扩展i/o的方式完成三个桨叶所有控制，当主plc发现任一桨叶有故障时，将会断开安全链，所有桨叶均执行紧急收桨动作。但是如果主plc一旦出现故障，例如安全链没有断开或者失电的情况下备用电源没有启动等等，都会导致飞车等灾难性事故。

在当前变桨系统的算法设计中，主要有两种控制策略分别为同步变桨和独立变桨。同步变桨为三个桨叶的桨距角进行同步调整，由于其算法简单容易实现已被普遍采用，但是在某些风况条件下，桨叶在不同的位置所受外力也不同，会导致三桨叶受力不平衡，转矩之差可达到25%左右，从而产生风机轴向振荡，不仅影响风机使用寿命，同时严重影响其发电效率。因此独立变桨控制策略目前引起了众多研究者的研究，但是在独立变桨过程中，需要根据每个桨叶的动力特性分析进行单独控制，其控制算法略为复杂，而且桨距角在桨叶旋转过程中变化十分频繁，对响应速度的要求比较高，否则会对变桨过程中系统的平稳性和有效性造成更为显著的影响。无论采用何种控制策略，都是为了保证合理的控制桨距角以减小塔架的振荡和桨叶间载荷的平衡,从而减小风力机的疲劳度，提高其发电效率。

随着国内对变桨系统不断深入的研究，其功能越来越复杂，安全保护也越来越完善，对采集数据的需求不断增多，从而导致控制器件和传感器大幅度增加，在变桨控制柜有限的空间内如何实现所有安全保护功能、稳定的控制是亟待解决的问题。

针对上述现有变桨控制系统实际应用所出现的问题，研究设计一种高集成度、高稳定性、高扩展性的变桨控制器，从而满足变桨系统不断深入发展的需求是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于tms320f2812的风力发电独立变桨控制系统，本发明合理地控制桨叶的桨距角可以减小塔架的振荡和桨叶的载荷,从而减小风力机的疲劳度,延长风力机的使用寿命。电动变桨距控制系统通过桨距角控制器得到桨距角指令,进而把桨距角指令转换为伺服电机的控制信号,以此实现对桨叶位置的控制。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于tms320f2812的风力发电独立变桨控制系统，所述系统包括主控系统、市电电源、安全保护系统、变桨控制器、变桨驱动器、备用电源以及电机；其中，变桨控制系统通过电滑环的方式与机舱中的主控系统、市电电源、安全保护系统连接，采用can通讯方式与主控系统连接；变桨控制器、变桨驱动器和备用电源位于轮毂内的变桨控制柜内；桨叶的变桨控制器一端通过can通讯与主控系统连接，桨叶的变桨控制器进行实时的通讯，当任一桨叶出现任何故障，另两个桨叶均实行进行收桨模式；每个桨叶的变桨控制器另一端通过can通讯与变桨驱动器连接，读取桨叶实际位置及实际变桨速度，并将其送到主控系统；同时监控变桨驱动器从站、冗余角度编码器从站以及与主控系统主站的通讯状态；若通讯出现故障，进入紧急顺桨模式；变桨控制器的数字量输入输出模块主控手动控制以及变桨柜的手动控制，其中变桨柜的手动控制使桨叶随意转动，实现调零点功能；同时连接桨叶上、下限位位置开关信号，保证桨叶在安全范围内运行；变桨控制器的模拟量输入模块对桨叶根部的载荷传感器进行数值采集并分析，将三个桨叶的根部载荷进行比较，采用内部解耦的原理控制每个桨叶的桨距角；其中冗余编码器、安全停止限位开关以及安全限位开关位于桨叶的齿轮上，载荷传感器位于桨叶的根部；当安全限位开关触发时，桨叶将紧急顺桨；当安全停止限位开关触发时，桨叶将紧急停止。

所述的一种基于tms320f2812的风力发电独立变桨控制系统，所述变桨手动控制，为di单元连接单桨叶的手持操作盒，用于完成变桨手动控制。

所述的一种基于tms320f2812的风力发电独立变桨控制系统，所述桨叶的载荷值以及变桨柜、备用电源柜、轮毂温度的采集为ai单元完成；do单元用于通过ai单元采集的温度值的计算进行各自温度的控制、通过主控系统状态以及变桨状态的判断控制安全链的通断，保证系统的安全。

所述的一种基于tms320f2812的风力发电独立变桨控制系统，所述can主站单元与变桨驱动器和冗余角度编码器的can连接。

所述的一种基于tms320f2812的风力发电独立变桨控制系统，所述can从站单元与主控系统的can连接。

所述的一种基于tms320f2812的风力发电独立变桨控制系统，所述变桨控制器中增加了载荷分析单元；载荷分析单元通过主控系统(can通讯)传输过来的载荷目标值与载荷传感器所反馈的载荷值构成一个闭环pid控制回路。

本发明的优点与效果是：

本发明解决了目前现有技术存在的影响机组的运行寿命和安全运行等问题，其结构设计合理，变桨控制准确，实时监控桨距角调节，在保证风机稳定输出功率的同时，消除风电机组风轮运行的轴向震动，增加机组安全链的保护环节，有效的提升风电机组保护能力，使风电机组的运行更加可靠、稳定。

由于位于风机最高处、空间十分狭小的轮毂内、设计电器元件的数量和体积均受到限制的情况下,通过自主研发的变桨控制器，在完成所有变桨控制所需功能的前提下,使系统具有可靠性高、可维护性高、集成度高、故障率低的特点。

本发明采用了每个桨叶均有一个变桨控制器，改变了目前3个桨叶共用一个plc的控制模式，使系统结构更加优化，操作更加灵活，同时变桨控制器是以dsp为核心的自主研发控制器，功能扩展更加丰富，将备用电源管理、载荷分析等等进行有效的集成，是系统更加稳定、安全。

附图说明

图1为本发明的风力发电机独立变桨控制系统的结构框图；

图2为本发明的单个桨叶控制原理图；

图3为本发明的变桨载荷分析单元示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

一种基于tms320f2812的风力发电独立变桨控制系统，包括主控系统、市电电源、安全保护系统、变桨控制器、变桨驱动器、备用电源以及电机等。其中，变桨控制系统通过电滑环的方式与机舱中的主控系统、市电电源、安全保护系统连接，采用can通讯方式与主控系统连接。变桨控制器、变桨驱动器和备用电源位于轮毂内的变桨控制柜内。

系统的控制步骤为：

1、每个桨叶的变桨控制器一端通过can通讯与主控系统连接，用于接收主控变桨指令及反馈当前变桨系统的信息。三个桨叶的变桨控制器进行实时的通讯，当任一桨叶出现任何故障时，另外两个桨叶均实行进行收桨模式，确保系统的安全；

2、每个桨叶的变桨控制器另一端通过can通讯与变桨驱动器连接，读取桨叶实际位置及实际变桨速度，并将其送到主控系统。同时监控变桨驱动器从站、冗余角度编码器从站以及与主控系统主站的通讯状态。若通讯出现故障时，进入紧急顺桨模式；

3、变桨控制器的数字量输入输出模块用于实现主控手动控制以及变桨柜的手动控制，其中变桨柜的手动控制可以使桨叶随意转动，实现调零点功能。同时连接桨叶上、下限位位置开关信号，保证桨叶在安全范围内运行；

4、变桨控制器的模拟量输入模块对桨叶根部的载荷传感器进行数值采集并分析，将3个桨叶的根部载荷进行比较，采用内部解耦的原理控制每个桨叶的桨距角。其中冗余编码器、安全停止限位开关以及安全限位开关位于桨叶的齿轮上，载荷传感器位于桨叶的根部。当安全限位开关触发时，桨叶将紧急顺桨；当安全停止限位开关触发时，桨叶将紧急停止。

实施例

一种基于tms320f2812的风力发电独立变桨控制系统，主要针对风力发电机独立变桨控制系统结构、变桨控制器进行设计。

变桨控制系统的结构框图见图1，本发明的变桨控制系统通过电滑环的方式与机舱中的主控系统、市电电源、安全保护系统连接，采用can通讯方式与主控系统连接。变桨控制器、变桨驱动器和备用电源位于轮毂内的变桨控制柜内，其中变桨控制器、变桨驱动器、冗余角度编码器均采用can通讯方式。

本发明中的变桨控制器主要组成部分包括：以ti公司tms320f2812dsp芯片为核心的控制单元、di数字量输入、do数字量输出、ai模拟量输入、can从站、can主站、电源管理模块以及载荷控制单元等，其控制原理见图2。其中di单元连接单桨叶的手持操作盒，用于变桨手动控制；ai单元用于对桨叶载荷值以及变桨柜、备用电源柜、轮毂温度的采集；do单元用于通过ai单元采集的温度值的计算进行各自温度的控制、通过主控系统状态以及变桨状态的判断控制安全链的通断，保证系统的安全；can主站单元用于与变桨驱动器和冗余角度编码器的can连接；can从站单元用于与主控系统的can连接。

本发明中变桨载荷分析单元的设计见图3。由于风机在运行过程，随着轮毂的旋转以及桨距角、风速的变化，桨叶所承受的载荷也是不断变化的，例如当桨叶位于轮毂旋转水平面的垂直正上方，桨叶处于0度开桨状态时，此时桨叶载荷为最大值，同理，当桨叶位于轮毂旋转水平面的垂直正下方，桨叶处于90度收桨状态时，此时桨叶载荷为最小值，同时由于桨叶旋转平面的最上端和最下端的风速也是不同的，由此会导致塔架的振荡，增加风机的疲劳程度以及风机的输出功率，基于此，在变桨控制器中增加了载荷分析单元。载荷分析单元通过主控系统(can通讯)传输过来的载荷目标值与载荷传感器所反馈的载荷值构成一个闭环pid控制回路，同时根据当前轮毂位置、轮毂的转速以及冗余角度编码器所反馈的桨叶角度值进行补偿运算，从而计算出相应桨叶的载荷补偿桨距角，再与主控系统发送的桨距角位置相叠加，将运算补偿后的桨叶设定角度值分别发送给对应的变桨驱动单元中，通过各自的执行机构完成桨距角的补偿，从而保证了整个风机的受力平衡，减少运行过程中的振荡，提升了风机的整体性能。

操作时：

1、系统通电，变桨控制器通过can方式与主控系统通信，变桨控制器接收接收各自的桨距角、主控系统的控制命令和各种故障判断，并将当前工作状态信息反馈回主控系统；

2、变桨驱动器通过can方式与变桨控制器通信，接收变桨控制器发送的桨叶角度、变桨速度信息，执行变桨操作命令，通过变桨电机执行相应的动作，并将桨叶实际位置及实际变桨速度信息反馈到主控系统；

3、使用变桨控制器的数字量输入输出模块实现主控系统手动控制、变桨柜的手动控制和调零点功能；

4、桨叶根部的载荷传感器对载荷值进行检测，并将数值收入到变桨控制器的模拟量输入模块ai中，变桨载荷控制单元经控制算法的解耦，对桨距角进行微调，通过can通讯传输给变桨驱动器，实现对风机的控制，进而调节每个桨叶的桨距角。